Neutronen für Industrie und Medizin

Neutronen für Industrie und Medizin

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Peter DriessenHauptgeschäftsführer der IHK für München und Oberbayern

Forschung als Erfolgsfaktor für die Wirtschaft

Der Freistaat Bayern ist einer der führenden In-dustrie- und Wissenschaftsstandorte in Europa. Unternehmen mit Weltruf haben hier ihren Sitz, gleichzeitig sind zahlreiche namhafte Wissen-schaftseinrichtungen aus den unterschiedlichs-ten Disziplinen hier beheimatet. Die gelungene Verbindung von Wirtschaft und Wissenschaft ist einer der wesentlichen Erfolgsfaktoren, wenn es um Forschung und Entwicklung geht. München und Oberbayern sind in dieser Hinsicht hervorra-gend aufgestellt.

Bayern und Garching sind seit jeher ein Stand-ort für die Neutronenforschung gewesen. Im Jahr 1957 wurde hier auf Initiative von Prof. Heinz Maier-Leibnitz der erste Forschungsreaktor in Deutschland in Betrieb genommen. Er war die Keimzelle für den heutigen Campus der Univer-sitätsstadt Garching, die das sogenannte „Atom-

Ei“ sogar in ihrem Stadtwappen verewigt hat. Mit der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Mai-er-Leibnitz (FRM II) im Zentrum ist der Campus Garching einer der wichtigsten Forschungs- und Wissenschaftsstandorte in Deutschland.

Der FRM II der Technischen Universität München erbringt seit nunmehr 10 Jahren wissenschaft-liche Spitzenleistungen – und das oftmals im Zusammenspiel mit der Wirtschaft. In ganz un-terschiedlichen Branchen konnten Lösungen ge-funden werden, deren praktische Anwendungen uns heute nützen. Fragen der Materialermüdung oder von Strukturen neuer Materialien blieben ohne die Nutzung von Neutronenstrahlen heute ohne Antwort.

Solch ein Erfolg kann nur gelingen, wenn Grund-lagen vorhanden sind, auf denen die Arbeit der Wissenschaftler aufbauen kann. Zwei Punkte stelle ich in diesem Zusammenhang heraus:

Zum einen ist Forschung kostenintensiv – aber sie nützt der Allgemeinheit, da ihre Erkenntnis-se die Wirtschaft stärken und der Gesellschaft dienen. Daher liegt es im Interesse aller, dass Forschung und Entwicklung in Deutschland ge-fördert wird. Die IHK für München und Oberbay-ern tritt dafür ein, dass diese Mittel zielgerichtet weiter ausgebaut werden, um den hiesigen Wirt-

Grußwort

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schaftsstandort weiter zu stärken und den Wohl-stand zu sichern. Investitionen in diesem Bereich sind Investitionen in die Zukunft.

Zum anderen sind neue Ideen, beste For-schungsergebnisse und hervorragend ausge-bildete Nachwuchskräfte für einen Innovations- standort wie Bayern von enormer Bedeutung. Die Technische Universität München ist daher eine der wissenschaftlichen Säulen für den Erfolg unseres Wirtschaftsraums. Die im Rahmen der Exzellenz-Initiative erzielten Ergebnisse unter-streichen die herausragende Stellung der TUM in der bundesdeutschen Hochschullandschaft. Diese Exzellenz gilt es zu wahren und auszubau-en, denn sie wirkt nicht nur als Leuchtturm, son-dern auch als Zugpferd für die ganze Region.

Die Leistungsfähigkeit des Innovationsstand-ortes Bayern ist kein Selbstläufer. Die bayeri-sche Industrie investiert pro Jahr über 11 Milli-arden Euro in Forschung und Entwicklung. Über 35  % der F&E-Investitionen entfallen dabei auf den Bereich der Spitzentechnologie – der Bun-desdurchschnitt liegt bei 26,3 %. Gleichzeitig stärkt Spitzentechnologie die Entwicklung hoch-wertiger Technik. Industrieforschung profitiert von Kooperationen mit öffentlicher Forschung und umgekehrt. Für die Standortentwicklung sind die laufenden Universitäts-, Unterneh-mens- und Clusteraktivitäten von großer Bedeu-

tung. Netzwerke, die entlang gewachsener Wirt-schaftsstrukturen agieren, bringen hier wertvolle Impulse für den Wirtschaftsraum.

Die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Mai-er-Leibnitz (FRM II) betreibt einerseits Grund-lagenforschung, andererseits industrielle und medizinische Anwendungsforschung. Das unter-streicht die Bedeutung der Einrichtung, die nati-onal wie international einen hervorragenden Ruf genießt.

Als Hauptgeschäftsführer der IHK für München und Oberbayern hoffe ich sehr, dass wir alle als Gesellschaft weiterhin von den Erkenntnissen Ih-rer Arbeit profitieren können und möglichst viele Unternehmen auch künftig die Zusammenarbeit mit Ihnen suchen.

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Grußwort von Peter Driessen 4„Industrie und Wissenschaft sind längst ein Erkenntnisverbund“ Interview mit Prof. Richter und Prof. Petry 8Neutronen bringen Licht ins Dunkel 14

Energie

Batterien beim Beladen zusehen 24Hochtemperatur-Werkstoffe für Gasturbinen 26Exakte Dotierung mit Neutronen 28Batterien für Hybridlokomotiven 30Wasserstoffspeicherung – eine Frage der cleveren Kombination von Methoden 32

Technologieentwicklung

Dem Wasser in der Isolierung von Flugzeugen auf der Spur 36Neuartiger Farblöser reinigt Pinsel ohne Lösungsmittel 38Eigenspannungen in Bauteilen 40Betonhärtung: Was macht das Wasser im Zement? 42Strahlungsresistenz von Bauteilen für die Ionentherapie 44Spannungen in Stahl gegossen 46

Qualitätssicherung

Boräquivalent als Maßgröße für Verunreinigungen 50Qualitätssicherung bei der Produktion von Autotüren 52Neutronenstrahlen zur Gesteinsanalyse und Produktion von Strahlenquellen 54Auf Reinheit geprüft 56Mit Neutronen dicke Bretter bohren 58

Medizin

Neutronen zeigen Anreicherung von Antidepressivum im Gehirn 62Krebszellen effizient bestrahlen 64Neue Strategien für die künstliche Beatmung 66Tumorbehandlung mit schnellen Neutronen 68

Impressum 70

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Die beiden wissenschaftlichen Direktoren des Heinz Maier-Leibnitz Zentrums (MLZ), Prof. Dr. Dieter Richter und Prof. Dr. Winfried Petry, im Gespräch über das Potenzial der Neutronen für Industriekunden.

Was sind die Vorteile von Neutronen gegenüber anderen Untersuchungsmethoden?

Petry: Neutronen durchdringen mühelos jede Art von Materie, sagen uns wo die Atome sind, wie sie sich bewegen und vermessen deren magne-tische Eigenschaften. Neutronen erforschen die mikroskopischen Ursachen für das makroskopi-sche Funktionieren von Materialien.

Industrie und Wissenschaft – passt das über-haupt zusammen? Kann ein Grundlagenforscher beurteilen, was die Wirtschaft benötigt?

Richter: Das Problem ist manchmal: Wir Wis-senschaftler in unserem Häuschen wissen nicht, was die Industrie braucht. Und die Industrie weiß wiederum nicht, was wir erforschen können. Die Wissenschaftler sind aber auch motivierter, wenn ihre Forschung eine Anwendung hat. Das stimu-liert und es ist mir ein Anliegen, dass wir aus der Wissenschaft auch etwas tun für die Gesellschaft und nicht nur reine Neugier-Forschung betreiben.

Petry: Der Grundlagenforscher spielt mit neu-en Ideen – zunächst zweckfrei, aber er hat bei diesen Ideen ständig potentielle Anwendungen im Kopf. Unsere Wissenschaftler haben Freude daran, Erkenntnisse aus dem Nanoskopischen auf neue Funktionalität abzuklopfen. Sie sind die idealen Partner der Industrie, die auf Innovation durch Grundlagenforschung angewiesen ist. Die Grundlagenforschung und die angewandte For-schung haben sich längst zu einem Erkenntnis-verbund zusammengeschlossen.

„Industrie und Wissenschaft sind längst ein Erkenntnisverbund“

Prof. Petry: „Grundlagenforschung und Industrie haben sich längst zu einem Erkenntnisverbund zusammengeschlossen.“

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Was kann die Grundlagenforschung von der In-dustrie lernen?

Petry: Nicht nur die Grundlagenforschung in-spiriert neue Produkte in der Industrie, sondern die Industrie mit ihren Anforderungen an Mate-rialien setzt längst die Themen der Grundlagen-forschung. So ist der Wunsch, die Informationen immer dichter zu packen, ein Thema aus der In-formationstechnologie.

Warum sollte ich als Industriekunde ausgerech-net an das Heinz Maier-Leibnitz Zentrum kom-men?

Petry: Das MLZ hier auf dem Forschungscam-pus der Technischen Universität München mit seiner Breite an Ingenieur-, Lebens- und Natur-wissenschaften stellt eine einmalige Bündelung von Kompetenz für die Industrie dar.

Richter: Wir bieten viel mehr wissenschaftliche Unterstützung als andere Facilities und sind au-ßerdem stark im Bereich der weichen Materie, was für die chemische Industrie von Interesse ist. Das MLZ bietet viel mehr als Neutronen, denn neben der Universität sind wir in weitere Großfor-schungszentren eingebettet.

Mit welchen Kompetenzen ergänzen die Partner des MLZ das Angebot des FRM II, Herr Richter?

Richter: Geesthacht bringt viel Erfahrung in den Materialwissenschaften ein. Jülich hat eine lange Tradition mit viel Kompetenz in den Polymerwis-senschaften, im Nanomagnetismus und auch in der Industriezusammenarbeit.

Prof. Richter: „Jülich hat eine lange Tradition in der Industriezu-sammenarbeit.“

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Auftragsarbeit oder Publikation: Welchen Nutzen hat der Industriekunde davon, seine Forschungs-ergebnisse zu veröffentlichen?

Petry: Viele Fragestellungen, mit denen die In-dustrie zu uns kommt, sind genereller Natur, z.B. besser texturierte Blechteile für die Verformung zu Autoteilen. Diese Art der Entwicklung ist so grundlegend, dass sie gerechtfertigterweise im öffentlichen Raum stattfindet und für jeden zugänglich veröffentlicht wird. Zielt die Frage-stellung jedoch auf ein einzelnes Produkt ab, wünscht der Kunde natürlich Eigentümer der Da-ten zu sein und muss dafür zahlen.

Richter: Eine echte Innovation kommt durch rei-ne Auftragsarbeit nicht zustande, das entsteht nur durch Zusammenarbeit. Wir haben mit Neu- tronen in Jülich in Zusammenarbeit mit Exxon ei-nen Zusatz gefunden, der heute weltweit in fast jedem Dieselkraftstoff eingesetzt wird. Er verhin-dert das Einfrieren des Diesels. Das dauerte da-mals nur vier Jahre von der Erfindung bis zum fertigen Produkt. Zu solchen Erfolgen kommt es nur durch das Zusammenspiel zwischen wis-senschaftlicher Neugier und industriellen Anfor-derungen. Da muss man in einem echten Team zwischen Wissenschaftlern und Anwendern zu-sammen arbeiten. Das Ziel der Wissenschaftler war ursprünglich ein ganz anderes, erst die An-wender haben das Potential dieser Entwicklung für ein solches Produkt erkannt.

Prof. Petry: „Das wissenschaftliche Potenzial der Neutronen ist so gewaltig, dass wir gar nicht genügend Neutronenquellen haben können.“

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Gibt es Produkte, die der FRM II direkt herstellt?

Petry: Obwohl die Forschungs-Neutronenquelle primär den Zweck hat, der Grundlagenforschung zu dienen, gibt es wichtige Bereiche, in denen sie direkt produziert. Mittels Neutroneneinfang wird am FRM II hochreines Silizium zu Halblei-tern dotiert. Diese Dotierung ist weltweit die homogenste und das so dotierte Halbleiterma-terial wird zu Bauteilen bei Hochspannungsgleich- stromübertragung und Leistungsschaltung etwa in Hybridautos benötigt. Weitere direkte Produk-te sind Radioisotope für die Nuklearmedizin und für die Industrie, etwa für Bestrahlungsquellen oder Tracer-Experimente.

Was bieten Neutronen dem Mediziner?

Petry: Neutronen helfen dem Mediziner in drei Punkten: Bei der Entwicklung von Materialien, die in der Medizin benötigt werden, von Implantaten bis zum OP-Werkzeug. Hier dienen Neutronen wie in der Materialwissenschaft zur Optimierung und Charakterisierung von Werkstoffen.Die molekulare Bildgebung benötigt Radioiso-tope. Die meisten davon werden mit Neutronen erzeugt. Hier haben wir auf dem Gelände des FRM II eine eigene Infrastruktur in Form von La-borräumen geschaffen, die von Firmen der Radio- pharmazie gemietet werden. Neutronen haben eine Masse. Deshalb sind sie hervorragend dazu geeignet Tumorgewebe direkt abzutöten. Wir heilen also direkt Tumorerkran-kungen. Dies bleibt jedoch auf oberflächennahe Tumore und eine kleine Anzahl von Patienten be-schränkt.

Prof. Richter: “Wir dürfen nicht nur reine Neugier-Forschung betreiben.“

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Wird die neue europäische Spallationsneutro-nenquelle in Lund (Schweden) eine Konkurrenz für den FRM II?

Richter: Es ist längst Konsens, dass es nationa-le Quellen wie den FRM II und auf jedem Konti-nent eine Megaquelle geben muss, wie die ESS in Lund es sein wird. Ohne die nationalen Quel-len macht aber die ESS wenig Sinn. Die Wissen-schaftler müssen an den nationalen Quellen auf breiter Basis forschen und dann an der Mega-quelle die Spitzenergebnisse produzieren.

Petry: Das wissenschaftliche Potenzial der Neu-tronen ist so gewaltig, dass wir gar nicht genü-gend Neutronenquellen haben können. Auch die Wissenschaft wächst mit ihrer Konkurrenz, denn Konkurrenz schafft Exzellenz.

Was werden bei Neutronenmessungen zukünftig die großen Themen sein?

Petry: Neutronen werden uns helfen, die Lösun-gen für viele gesellschaftliche und technische Herausforderungen zu finden: Energiespeicherung, -transport und -umwand-lung sind Materialprobleme. Mobilität mit weniger CO2-Ausstoss, weniger Energieverbrauch: Auch das ist eine Fragestel-lung der Materialforschung, wie etwa der Batte-rieforschung. Informationsverarbeitung ist ein zentrales Thema unserer Gesellschaft: Wir träumen davon, die In-formation in einzelnen magnetischen Momenten eines Atoms oder Elektrons zu speichern. Neu-tronen spielen eine entscheidene Rolle bei der Charakterisierung solcher Eigenschaften.

Prof. Petry: „Neutronen werden uns helfen, die Lösungen für viele gesellschaftliche und technische Herausforderungen zu finden.“

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Richter: Ich sehe eine starke Entwicklung bei den Lebenswissenschaften: Die pharmazeuti-sche Forschung mit Neutronen etwa. Erst seit kurzem weiß man, dass die Bewegung von Mole-külen eine wichtige Rolle bei ihrer Funktion spielt. Bisher ist die Bewegung von Molekülen bei der pharmazeutischen Wirkung noch gar nicht be-rücksichtigt worden. Neutronen bieten sich gera-dezu an, diese Dynamik zu untersuchen. Auch die Aggregation von Molekülen bei neuro-degenerativen Erkrankungen wie Alzheimer kann mit Neutronen sehr gut dargestellt werden.

Und schließlich die molekularen Ursachen von Krankheiten: Hier sind Neutronen gefragt, um die Proteinänderungen zu verstehen.

Muss ein Industriekunde die Neutronenmessung selbst durchführen?

Petry: Nein, er bekommt von uns alles aus einer Hand: von der Beratung über die Durchführung der Messung bis hin zur Auswertung.

Prof. Richter: „Das MLZ bietet viel mehr als Neutronen.“

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Die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier- Leibnitz (FRM II) ist eine Großforschungsanlage für die Wissenschaft – aber nicht nur! Der FRM II kombiniert als Hochleistungsneutronenquelle Grundlagenforschung mit industrieller und me-dizinischer Nutzung; die Wissenschaftler haben im nunmehr zehnjährigen Betrieb erfolgreich eine Fülle von Anwendungen aus und mit Unterneh-men bearbeitet. In dieser Broschüre finden sich eine Reihe von ganz unterschiedlichen Beispie-len aus allen Branchen, von der Qualitätssiche-rung im Herstellungsprozess einer Autotür bis zur Entwicklung eines Farblösers.

Was ist das Besondere an Neutronen?

Kurz gesagt: Sie sind sehr klein, magnetisch und elektrisch neutral! Ihre Geschwindigkeit und damit Energie kann exakt kontrolliert wer-

den. Neutronen durchdringen mühelos alle Arten von Materialien, mit ihrer Hilfe können Art, Lage, Magnetismus und Dynamik einzelner Atome be-stimmt, Elemente verändert und genaue Bilder aus der Tiefe der Gegenstände erzeugt werden. Neutronen durchleuchten oder analysieren völ-lig zerstörungsfrei den Originalgegenstand, und das oftmals unter realen Einsatzbedingungen, der Messvorgang selbst beeinflusst das Resultat nicht.

Der FRM II stellt in Deutschland den höchsten Neutronenfluss zur Verfügung und liefert Neu- tronen unterschiedlicher Energie für etwa 30 ver-schiedene Strahlrohr-Instrumente. Eines davon ist die weltweit brillanteste Positronenquelle, die beispielsweise hervorragende Möglichkei-ten der Oberflächen- und Defektanalyse bietet. Der FRM II kombiniert Grundlagenforschung mit

Neutronen bringen Licht ins Dunkel

Die Forschungs-Neutronenquelle wird seit 2004 erfolgreich betrieben.

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industrieller und medizinischer Nutzung. Seit dem 1.  Januar 2011 erschließt das Heinz Mai-er-Leibnitz Zentrum (MLZ) die wissenschaftli-che Nutzung des FRM II. Das MLZ repräsentiert die Zusammenarbeit zwischen der Technischen Universität München, dem Forschungszentrum Jülich, dem Helmholtz-Zentrum Geesthacht für Material- und Küstenforschung (HZG) und dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB, ruhende Partnerschaft). Diese Kooperation wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Bayeri-schen Staatsministerium für Bildung und Kultus, Wissenschaft und Kunst finanziell getragen. Ein-gebunden in diese Kooperation sind ferner Ins-titute der Max-Planck-Gesellschaft und weitere neun Universitäten. Durch die Zusammenarbeit entsteht ein weltweit führendes nationales Zent-rum für Forschung mit Neutronen und Positronen mit großer internationaler Wettbewerbsfähigkeit und Nutzung.

Die Wissenschaftler, die am FRM II Industriekun-den bei der Lösung eines Problems betreuen, kennen sich nicht nur mit ihrem Gerät und der Methode gut aus, sie sind auch international an-erkannte Fachkräfte auf den Gebieten der Ma-terialforschung. Neben den Methoden der Neu-tronenstreuung setzen sie selbst für ihre eigene Forschung auch andere Methoden ein und kön-nen somit fundierte Hilfestellung für die Problem-lösung bieten.

Allgemeines

Die Forschungs-Neutronenquelle liefert in Zyk-len von 60 Tagen an bis zu 240 Tagen pro Jahr Neutronen für die etwa 30 Instrumente. Ne-ben den verschiedenen Messgeräten an Neu-tronen-Strahlrohren stehen außerdem Neutro-nen-Bestrahlungseinrichtungen zur Verfügung, beispielsweise für die Siliziumdotierung oder die

Insgesamt gibt es rund 30 wissenschaftliche Messinstrumente, wie hier das Kleinwinkelstreuinstrument SANS-1.

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Produktion von Radionukliden, aber auch für an-dere Anwendungen. Teil des breiten Spektrums an unterschiedlichen Bestrahlungs-, Analyse- und Bildgebungsinstrumenten sind eine Reihe innovativer und einzigartiger Probenvorberei-tungsmethoden.

Der FRM II ist für technische und industrielle An-wendungen offen. Ein grober Überblick über bis-herige industrielle Anwendungen ergibt ein sehr breites Spektrum: • Neutronen-Aktivierungsanalyse für

fehlerfreie Multielementanalysen, Produktionsüberwachungen, Verbesserung von Herstellungsverfahren.

• Bestrahlung von Proben und Bauteilen für Präparateherstellung in Technik und Medizin, Tracer-Experimente, Verschleißmessungen, Bestrahlungsresistenz, homogene Dotierung von Silizium für die Halbleiterindustrie.

• Materialuntersuchungen mit den Entwick-lungszielen höherer Verschleißfestigkeit (Spezialle- gierungen), hoher Temperaturbeständigkeit (Turbi- nenschaufeln), höherer Belastbarkeit (Automotive), leichterer Bauweisen (Verbund- materialien), optimierter magnetischer Eigenschaften (Speichermaterialien), Erschließung neuer Materialressourcen (z. B. Keramik), Entwicklung neuer Herstellungsme- thoden.

Wie läuft ein Industrieprojekt ab?

Hierzu eröffnen sich der Industrie zwei Wege der Zusammenarbeit mit der Neutronenquelle: Wünscht der industrielle Auftraggeber alleiniger Eigentümer des Untersuchungsergebnisses zu sein, wird das Projekt als reine Auftragsarbeit mit voller Kostenübernahme des Auftraggebers durchgeführt. Der Auftraggeber hat hierfür zeitlich privilegierten Zugang, Messung und Auswertung werden durch die Experten des MLZ durchge-führt. Auf Wunsch werden auch komplementäre Methoden eingesetzt. Der Kunde bekommt ein Komplettpaket und ist streng geschützter Eigen-tümer der Resultate.

Weit öfter sind die Fragestellungen der industriel-len Forschung von grundlegender Natur, so dass sie den Schulterschluss mit der Forschung im öf-fentlichen Raum sucht. So entstehen gemeinsa-me Entwicklungsprojekte zwischen Neutronen-quelle und industriellem Partner. Alle Ergebnisse einer solchen wissenschaftlichen Kooperation müssen über Publikationen der Allgemeinheit zugänglich sein. Der Zugang zur Messzeit er-schließt sich über ein unabhängiges Gutacht-ergremium, welches zweimal jährlich die aus wissenschaftlicher Sicht attraktivsten Messvor-schläge aussucht. Dieser Zugang ist kostenfrei. Oft ist solche industrielle Forschung in größere thematische und öffentlich geförderte Kooperati-onen mit der Industrie eingebettet.

Der FRM II ist Mitglied im Fachausschuss „Ange-wandte zerstörungsfreie Werkstoff- und Bauteil-prüfung“ des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI), der als Plattform für Anwender aus der Indus- trie dient, die nach zerstörungsfreien Prüfungen für produktspezifische Fragestellungen suchen. Der Fachausschuss aus Mitgliedern des FRM II, der Industrie und assoziierten Instituten tagt re-gelmäßig, um aktuelle Messungen vorzuberei-

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ten und durchgeführte Experimente zu diskutie-ren. Der FRM II ist außerdem Organisator eines VDI-Expertenforums, das im Rhythmus von zwei Jahren auf dem Campus Garching stattfindet und bei dem aktuelle Themen der zerstörungs-freien Prüfung diskutiert werden.

Ansprechpartner für Industrieprojekte:

Dr. habil. Ralph GillesForschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II)Technische Universität MünchenLichtenbergstr. 185748 Garching

Telefon: +49.(0)89.289.14665E-Mail: industrie@frm2.tum.de

Für die Bestrahlungsanlagen:

Dr. Heiko Gerstenberg Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II)Technische Universität MünchenLichtenbergstr. 185748 Garching

Telefon: +49.(0)89.289.12145E-Mail: heiko.gerstenberg@frm2.tum.de

Die Neutronenleiterhalle West.

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Methoden und ihre Anwendung

Die Prompte Gamma (Neutronen) Aktivierungs-analyse (PGAA oder PGNAA) ist eine radioana-lytische Methode zur quantitativen Element- oder Isotopenanalyse, bei der charakteristische prompte Gammastrahlung als Folge von Neu-troneneinfangsreaktionen gemessen wird. Der Neutroneneinfang ist eine grundlegende Kern-reaktion, an der bis auf 4-Helium jedes Isotop teilnimmt. Die PGAA hat gegenüber anderen Analysemethoden einige Vorteile: Sie arbeitet zerstörungsfrei und analysiert sämtliche Isotope gleichzeitig, sie ermöglicht unmittelbare Messun-gen, unabhängig vom Aggregatzustand, sie er-fordert keine aufwändige Vorbereitung und um-fasst das ganze Volumen der Probe.

Grundsätzlich können dafür verschiedene Neu-tronenquellen benutzt werden: Kernreaktoren, radioisotopische Neutronenquellen oder Neut-ronengeneratoren. Die genauesten Ergebnisse liefert eine Quelle mit hohem Neutronenfluss wie ihn der FRM II zur Verfügung stellen kann.

Radiographie und Tomographie mit Neutronen

Beide Verfahren funktionieren auch mit Röntgen- oder Gammastrahlen. Der Unterschied der gra-phischen Verfahren mit Neutronen besteht darin, dass sie mit den Atomkernen wechselwirken, nicht nur mit den Elektronen. Die resultieren-den Bilder sind im Vergleich zur herkömmlichen Radiographie und Tomographie mit Röntgen- oder Gammastrahlung sehr viel detail- und kon-trastreicher. Im Allgemeinen können Neutronen wesentlich massivere Werkstücke als Röntgen- oder Gammastrahlen durchdringen. Das kommt besonders in den Fällen zum Tragen, in denen große oder dichte Objekte untersucht werden. Beide Verfahren zerstören den untersuchten Ge-genstand in keiner Weise; zusätzlich ist es auch Radiographie eines Motors.

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möglich, zeitaufgelöste Messungen durchzufüh-ren. Bauteile können im Betrieb durchleuchtet werden, beispielsweise, um die gleichmäßige Ölschmierung in einem laufenden Motor zu un-tersuchen.

Der Kunde erhält die gemessenen Transmissi-onsbilder bzw. Tomographien als TIFF-Dateien, die mit einer herkömmlichen Bildbearbeitungs-software weiter bearbeitet werden können.

Kleinwinkelstreuung

Neutronen-Kleinwinkelstreuung ist eine weite-re zerstörungsfreie Untersuchungsmethode, die geeignet ist für die Untersuchung von Mikro-strukturen zwischen 0,5 nm und 1000 nm. Bio-moleküle und andere Polymere, aber auch Filter-materialien, Legierungen oder Katalysatoren sind

häufig keine homogene Masse, sondern weisen über das gesamte Volumen Unterschiede in der Dichte, Konzentration oder auch Magnetisierung auf. Diese Unterschiede können durch die Klein-winkelstreuung sichtbar gemacht werden, weil sie den anfangs parallelen Neutronenstrahl in charakteristischer Weise ablenken. Das Ergebnis ist eine Aussage über die mittlere Teilchengröße und deren Verteilung, aber auch über Form und chemische Struktur von Nanomaterialien. Selbst schnelle kinetische Prozesse sind damit zu be-obachten.

Am FRM II stehen für ganz verschiedene Anwen-dungszwecke mehrere solcher Instrumente zur Verfügung, die jeweils an ein breites Spektrum von Proben angepasst werden können.

Der FRM II bietet vielfältige Untersuchungsmöglichkeiten für ein breites Spektrum an Anwendungen.

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Flugzeitspektroskopie mit kalten Neutronen

Die Flugzeitspektroskopie ist eine Methode, um die Bewegungen der Atome auf einer Zeitska-la zwischen Pikosekunden und Mikrosekunden sichtbar zu machen. Dazu müssen die Neutronen aus der Quelle auf die passende Energie von ei-nigen hundert Metern pro Sekunde abgebremst werden. Das bedeutet eine Energie, die in etwa den Atombewegungen entspricht. Am FRM II ist dies durch die sogenannte Kalte Quelle möglich. Neutronen aus der Kalten Quelle können Bewe-gungen in Flüssigkeiten, aber auch in Feststoffen gleichzeitig räumlich und zeitlich aufgelöst dar-stellen. Typische Anwendungen sind die Unter-suchung der Diffusion in Metallen, Legierungen und Flüssigkeiten (auch kolloidale und ungeord-nete Systeme), aber auch die Funktion und biolo-gische Aktivität von Proteinen und ganzen Zellen.

Diffraktometrie

Auch diese Methode beruht auf der Tatsache, dass die Neutronenstrahlen an Einkristallen oder an Pulvern gebeugt werden. Die Pulverdiffrak-tometrie bildet über das Beugungsmuster die Struktur der Probe ab. Am FRM II stehen zusätz-lich verschiedene Detektoren und Probenum-gebungen zur Verfügung, die es erlauben, eine Vielzahl von Proben und verschiedenen Frage-stellungen zu bearbeiten: Neben Kristallen ist auch die Untersuchung magnetischer Strukturen und Phasenübergängen möglich.

Ein anderes Diffraktometer dient dazu, Eigen-spannungen in Bauteilen wie Schweißnähten zu messen, Superlegierungen zu qualifizieren oder globale und lokale Texturen zu analysieren. Ein angeschlossener Roboter erlaubt es bei diesem Gerät, auch sehr große und schwere Proben bis 30 kg zu untersuchen.

Positronen

Positronen sind wegen ihrer kleinen Masse und weil sich ihre kinetische Energie genau einstel-len lässt hervorragend geeignet als Sonde für die Untersuchung von Oberflächen. Beim Zusam-mentreffen von einem Positron mit einem Elek-tron entsteht ein Paar, das nach einer charakte-ristischen Lebensdauer wieder vernichtet wird. Die dabei auftretende Strahlung lässt genaue Rückschlüsse auf die lokale Umgebung der Ver-nichtungsstelle zu. So lassen sich selbst so ge-ringe Fehlstellenkonzentrationen von bis zu 1:10 Millionen feststellen. Auch diese Methode arbei-tet zerstörungsfrei und aktiviert die Probe nicht. Sie ist beispielsweise geeignet zur Untersuchung von Materialverschleiß.

Die weltweit intensivste Positronenquelle befindet sich am FRM II.

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Messinstrumente in der Experimentierhalle.

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23Energie

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Lithium-Ionen-Akkus werden heute in vielen tragbaren Geräten mit hohem Energiebedarf ein-gesetzt: Handys, Taschenlampen, Digitalkame-ras und Notebooks sind nur einige Beispiele. Sie kommen aber auch in Elektroautos als Energie-speicher zum Einsatz oder gelten als Zwischen-speicher für Erneuerbare Energien. Um ihre Le-bensdauer zu erhöhen oder den Beladeprozess zu beschleunigen, wird weiter an den Akkus ge-forscht. Neutronen bieten sich hierfür geradezu an. Sie können die Akkus zerstörungsfrei in-situ, also z.B. während des Beladeprozesses, durch-leuchten und die Prozesse im Inneren abbilden. Weil Neutronen sehr empfindlich Lithium unter anderen Elementen nachweisen können, sind sie die Untersuchungsmethode der Wahl für Lithi-um-Ionen-Akkus.

Eine Reihe von Forschungsprojekten beschäftigt sich am FRM II mit der Batterieoptimierung:

• EEBatt der Technischen Universität Mün-chen (TUM) zur Entwicklung eines Batte-rie-Energie-Speichersystems,

• ExZellTUM der TUM, das die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus als Energiespei-cher für Elektroautos weiter erforschen soll,

• und das Projekt „Electric Fatigue in Functio-nal Materials: „in operando“ investiga- tion of fatigue in commercial batteries“ der Technischen Universität Darmstadt und des Karlsruher Instituts für Technologie. Letztere beobachteten etwa, dass Lithiumionen sich anders in die Graphitanode einlagern als bisher gedacht*.

Am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum gibt es eine Vielzahl von wissenschaftlichen Instrumenten, die zur Untersuchung der verschiedensten Bat-terien und Akkumulatoren eingesetzt werden. Je nach Art der Analyse, kommt eine andere Metho-de zur Anwendung.

Batterien beim Beladen zusehen

Batterieforschung am Strukturpulverdiffraktometer SPODI.

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Folgende Methoden und Instrumente stehen am FRM II für die Batterieanalyse zur Verfügung:

• Zerstörungsfreie Strukturaufklärung, z.B. von Lithium-Ionen-Akkus mit einem Strukturpul-verdiffraktometer (SPODI): In-Situ-Messung der Strukturen bei verschiedenen Ladungs-zuständen.

• Informationen über Partikelgröße (1- 300 nm) und deren Größenverteilung sowie die Form von Strukturen (auch Poren) und ihrer Ver-änderung während des Alterungsprozesses bzw. der Be- und Entladung können an SANS-1 gewonnen werden.

• Radiographie an den Instrumenten ANTA-RES und NECTAR: Sie zeigen Bilder aus dem Inneren von Batterien z.B. wie homo-gen die verschiedenen Komponenten vorlie-gen (auf der Skala > 50 Mikrometer).

• Ortsaufgelöste in-situ Diffraktion zur Pha-sen- und Strukturaufklärung am Instrument STRESS-SPEC. Der hohe Fluss sowie der Flächendetektor ermöglichen es, den La-dezustand der Anode einer Batterie „live“ mitzuverfolgen und so neue Erkenntnisse über Prozesse in der Batterie während des Be- und Entladens, beispielsweise bei ver-

schiedenen Entladegeschwindigkeiten oder unter Extrembedingungen zu gewinnen.

• Das Instrument REFSANS ermöglicht die tie-fensensitive Information über laterale Struk-turen in dünnen Schichten von Batterie-Elek-troden mit Objektgrößen von 10-200 nm und einem lateralen Abstand der Objekte von 50-500 nm zu messen. So können z.B. Infor-mationen über Nanomaterialien gewonnen werden, die an der TUM als Anodenmaterial in Li-Ionen Batterien vorgesehen sind.

• Die Methode der Prompten Gamma Aktivie-rungsanalyse kann für die Bestimmung der Zusammensetzung und Konzentration der Ionen in Elektroden (ppm-Bereich) einge-setzt werden. So kann beispielsweise am Instrument PGAA die Auflösung von Über-gangsmetallionen aus der Kathode als Folge der Zellalterung untersucht werden.

• Mit Positronen am Instrument NEPOMUC sind Elektrodenmessungen möglich, um die Alterung der Elektroden zu bestimmen, die sich durch Defektdichteänderungen zeigen.

*Publikation: A. Senyshyn et al., J. Electrochem. Soc., 5, 3198 (2013).

Dr. Alexander Hirnet, Technischer Leiter bei Varta Storage, Nördlingen

„Wir haben bei Neutronen den großen Vorteil, dass wir wegen ihrer geringen Wechsel-wirkung direkt in die Batteriezellen hineinsehen können. Und wir können im Gegensatz zu anderen Methoden die Messungen unter realeren Bedingungen durchführen.“

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Für Gasturbinen gilt: Je höher die Eintrittstem-peratur des Brenngases, desto höher ist der Wirkungsgrad. Wissenschaftler der TU Braun-schweig und der Technischen Universität Mün-chen (TUM) suchen daher nach einer „Superlegie-rung“, die für bis zu 1200 °C Betriebstemperatur einsetzbar ist. Wie groß das Interesse an diesem Ziel ist, zeigt sich daran, dass auch die Global Player der Industrie, Siemens und General Elec-tric (GE), daran forschen. Eine neue Legierung muss mehrere Voraussetzungen erfüllen: Sie muss hitzebeständig, korrosionsbeständig und mechanisch belastbar sein und sie muss große Temperaturschwankungen mitmachen können. Superlegierungen gibt es auch heute schon, besonders bekannt sind die einkristallinen Ni-ckelbasis-Legierungen, die durch Zusätze wie Molybdän, Tantal und Kohlenstoff zusätzlich ge-härtet werden.

Neutronen sind eine ideale Methode, um neu-entwickelte Legierungen zu testen. Die Legie-rungssysteme besitzen eine Matrix, in die win-zige Ausscheidungen (< 1/10000 Millimeter) zur Verstärkung der Legierung eingelagert sind. Die-se Ausscheidungen verändern sich unter Tem-peratureinfluss und der Rotation einer Turbine. Neutronen zeigen diese kleinen Ausscheidungen in-situ bei hohen Temperaturen: sowohl die Größe als auch Anzahl und Form der Ausscheidungen. Diese Untersuchungen schließen beispielswei-se Phasenumwandlungen und Strukturverände-rungen der Legierung ein, die nur teilweise beim Abkühlen umkehrbar sind. Genau diese Mikro-strukturänderungen wollen die Wissenschaftler verstehen, um die Legierungsentwickler bei der Verbesserung der Legierung zu unterstützen. Die TU Braunschweig und die TUM setzen dabei auf ein Kobalt-Rhenium-Chrom System mit Aus-scheidungen, die im Wesentlichen aus Tantal und Kohlenstoff bestehen.

Hochtemperatur-Werkstoffe für Gasturbinen

Gasturbine der Firma Siemens.

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Ein Teststand am FRM II erlaubt es, Legierun-gen nicht nur auf hohe Temperaturen aufzuhei-zen, sondern gleichzeitig die Fliehkräfte mit einer Zugmaschine zu simulieren. Völlig zerstörungs-frei zeigen die Neutronen, dass die neue Legie-rung in punkto Hitzebeständigkeit und mechani-sche Belastbarkeit sehr vielversprechende Werte besitzt.

Eine Strukturanalyse mit Neutronen macht sicht-bar, dass Chrom als alleinige Beimischung zum Kobalt und Rhenium zwar stabile Strukturen bis 1000 °C garantiert, diese Legierung bei höheren Temperaturen aber instabil wird. Das Tantal in Form von Ausscheidungen stabilisiert die Legie-rung zusätzlich bis über 1200 °C, was die che-mischen Elemente Kobalt und Rhenium alleine nicht garantieren können.

Messung an der neuen Legierung für Gasturbinen.

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Ohne Halbleiterchips ist unser Alltag gar nicht mehr vorstellbar. Die meisten dieser Chips be-stehen aus reinem Silizium, das selbst keinen Strom leitet, aber durch eine geringe Zugabe von Fremdatomen (die Dotierung) dazu befähigt wird. Halbleiter für Hochleistungselektronik verlangen eine durchgehende, extrem homogene Vertei-lung an Fremdatomen im reinen Siliziumkristall. Für die Zudotierung des Elements Phosphor wird dies durch Neutronen-Dotierung erreicht: Neut-ronen wandeln Silizium in einer Kernreaktion in Phosphor um.

Trifft ein langsames Neutron auf einen Silizium-kern mit der Massenzahl 30, so entsteht mit einer genau bekannten Wahrscheinlichkeit das insta-bile Silizium-31, das sich mit einer Halbwertszeit von zweieinhalb Stunden in Phosphor-31 um-wandelt. Das Elegante an dieser Reaktion: Na-türliches Silizium enthält etwa drei Prozent Silizi-um-30. Und der entstandene Phosphor ist nicht radioaktiv, das dotierte Silizium kann daher pro-

blemlos überall eingesetzt werden. Das Ergebnis ist ein Halbleitermaterial mit extrem homogener Verteilung der Dotierungsatome und wenigen Störungen im Kristallgitter, ideal für Hochleis-tungs-Bauteile. Die Neutronenquelle FRM II der Technischen Universität München eignet sich für diese Art der Dotierung besonders gut, da in ihrem Spektrum fast keine schnellen Neutronen vorkommen. Denn stößt ein schnelles Neutron mit einem Silizium-Atom zusammen, so schießt dieses mit großer Wucht durch das Kristallgitter und produziert eine große Zahl von Gitterdefek-ten, die die elektrischen Eigenschaften des Halb-leiters erheblich stören.

Schon in der Konzeptionsphase der Forschungs-Neutronenquelle wurden verschiedene Bestrah-lungsplätze eingerichtet, an denen Proben für Forschung und Industrie mit Neutronen bestrahlt werden können. Der Bestrahlungsplatz für das Silizium ist der größte. In einem Rohr, einen Me-ter entfernt vom Reaktorkern, finden Silizium-stäbe von bis zu 20 Zentimeter Durchmesser und 50  Zentimeter Stapelhöhe Platz. Um eine homogene Bestrahlung zu erreichen, dreht sich der Korb mit den Silizium-Zylindern langsam um seine Achse. Doch auch in der Senkrechten ist der Neutronenfluss nicht ganz einheitlich. Die Wissenschaftler lösten das Problem mit einer lokal variablen Abschirmung für Neutronen: Sie ließen einen Nickelzylinder anfertigen, der an den Stellen mit höherem Neutronenfluss etwas dicker ist und dadurch die Abweichungen wieder aus-gleicht.

Seit Februar 2007 besitzt der FRM II eine voll-automatische Be- und Entladeeinheit, mit deren Hilfe bis zu 15 t Silizium pro Jahr dotiert werden können. Seit 2009 läuft die Anlage wegen hoher Nachfrage im Zweischichtbetrieb.

Exakte Dotierung mit Neutronen

Rund 12 Tonnen Silizium jährlich veredelt der FRM II.

29Martin Græsvænge Hansen, NTD Process Owner, Topsil S/A, Dänemark

„We are proud that Topsil co-pioneered the industrial production of neutron transmuta-tion doped (NTD) silicon which plays a key role in our modern society. NTD silicon out-performs any other silicon product available in terms of accuracy and variation of the phosphorus doping also measured as resistivity. This makes it suitable for the most advanced power semiconductor components inserted in e.g. power grids and electric trains. FRM II is an important and a highly valued supplier of the NTD service utilized for these products.“

Das Silizium wird zur Bestrahlung ins Reaktorbecken gebracht.

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Mit einer Hybridlokomotive plant General Elec-tric (GE) die Energie beim Bremsen zurückzuge-winnen und in einer Batterie zu speichern. Die Lokomotive wird deshalb mit neuartigen Nat-rium-Metallchlorid-Batterien laufen und dabei mindestens zehn Prozent Energie einsparen und der Lokomotive kurzzeitig bis zu 2000 PS zusätz-lich zur Verfügung stellen. Natrium-Metallchlorid-batterien haben eine hohe Leistungsdichte und geben eine sehr große Leistung ab, zudem sind die Ausgangstoffe deutlich preiswerter als die von Lithiumionenakkus.

Der genaue Mechanismus und die Verteilung der Natriumionen während des Be- und Entladens waren jedoch noch unbekannt. Ein weiteres Pro-blem: Durch das Eindringen von Feuchtigkeit und Luft verändern sich die höchst reaktiven Inhalts-stoffe beim Öffnen der Batterie. Die Kooperati-onspartner FRM II und GE durchleuchteten des-halb die Batteriezelle mit Hilfe des Instruments ANTARES (Advanced Neutron Tomography and Radiography Experimental System) während

verschiedener Ladungszustände. Der entschei-dende Vorteil dieser Methode ist es, dass dazu weder die Batterie geöffnet noch zerstört werden muss. Die Neutronen-Radiographie zeigte den Füllstand des Natriums in der ungeöffneten Bat-terie während des gesamten Ladungsprozesses.

An einem zweiten Instrument der For-schungs-Neutronenquelle, dem Eigenspan-nungs- und Texturdiffraktometer STRESS-SPEC, analysierten die Wissenschaftler die Zusammen-setzung der chemischen Stoffe in der Zelle. So erhielten sie eine genaue Aufschlüsselung über die Verteilung der verschiedenen Reaktionspart-ner in der Zelle. Das ist wichtig, um den Mecha-nismus der Lade- und Entladevorgänge in der Batteriezelle zu verstehen und zu optimieren.

Partner: GE Global ResearchNiskayuna, New York, USA

Batterien für Hybridlokomotiven

Eine Diffraktometrie gibt Auskunft über die Verteilung der Elemente in einer Batteriezelle.

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Yan Gao, Senior Scientist, GE Global Research, Niskayuna, New York, USA

„FRM II offers a wide range of neutron techniques from diffraction to imaging to spec-troscopy. The scientists I have worked with at FRM II are dedicated, resourceful, and highly motivated to help solve real-world industrial problems. Our collaboration has been most rewarding: not only we improved our understanding on magnetic materials and sodium metal halide batteries; we also published three papers together!“

Die Hybridlokomotive soll Bremsenergie zurückgewinnen.

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Die Energiewende und der Wunsch, auf res-sourcenschonendere Antriebstechniken umzu-steigen, sind im Wesentlichen Fragen der Ener-gieerzeugung, des Energietransportes und der Energiespeicherung. Ein potentieller Energieträ-ger der Zukunft ist Wasserstoff. Er kann mithil-fe regenerativer Energien erzeugt und zu einem späteren Zeitpunkt in Brennstoffzellen emissi-onsfrei wieder in elektrische Energie umgewan-delt werden.

Eine Möglichkeit, Wasserstoff mit geringem Vo-lumen und Gewicht zu speichern, ist ein Fest-körperspeicher, in dem Wasserstoff chemisch gebunden vorliegt. Diese könnten langfristig die derzeitigen Speichermethoden von Wasserstoff als Gas in Druckgasflaschen (bis 700 bar H2) oder tiefkalten, flüssigen Wasserstoff ablösen. Neutronen sind besonders für Wasserstoff eine einzigartige Sonde, mit deren Hilfe grundlegen-de Fragen beantwortet werden können: Wie und wohin wandert er in den verschiedenen Stadien der Speicherung? Welche Materialien speichern besonders viel und welche Temperatur- und Druckbedingungen sind dabei einzuhalten?

Komplexhydride werden seit einiger Zeit als be-sonders aussichtsreiche Kandidaten für Was-serstoffspeichermaterialien untersucht, da sie eine hohe gravimetrische Speicherdichte ha-ben. Ein solches Material (z.B. Natriumalanat, NaAlH4) kann Wasserstoff abgeben und wieder aufnehmen, indem geeignete Temperatur und (Wasserstoff)-Druckbedingungen gewählt wer-den. Im Idealfall ist dieser Prozess viele Male reversibel. Die Reaktionsgeschwindigkeit der Wasserstoffaustauschreaktion ist sowohl vom Material als auch von Temperatur und Druck abhängig. Mit Hilfe von Strukturbestimmungen (Pulverdiffraktometrie) kann die Wasserstoffaus-tauschreaktion als Funktion des Wasserstoffge-

haltes bzw. der Zeit untersucht werden. Damit können eventuelle Zwischenschritte der Reakti-on identifiziert, und die Reaktionsparameter op-timiert werden. Im Mittelpunkt stehen hierbei die Untersuchung von Katalysatoren bzw. Zusätzen, die die Austauschreaktion beschleunigen, und die Entwicklung von geeigneten Reaktionssys-temen, d.h. die Kombination von verschiedenen Speichermaterialien, um die Betriebsparameter zu optimieren. Spektroskopische Methoden, wie die Neutronenflugzeitspektroskopie geben Aus-kunft über die Wasserstoffdynamik auf mikros-kopischer Ebene, und helfen so, fundamentale Eigenschaften der Komplexhydride besser zu verstehen. Bildgebende Verfahren wie Neutro-nenradiographie und -tomographie liefern detail-lierte Bilder aus dem Inneren von Prototyp-Tanks und erlauben die Charakterisierung der Stabilität des Pulverbetts und der Wasserstoffverteilung, beides wichtige Schlüsselkriterien für das Tank-design.

Wasserstoffspeicherung – eine Frage der cleveren Kombination von Methoden

Mit dem Flugzeitspektrometer TOFTOF wird die Dynamik von Wasserstoff untersucht.

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Wasserstofftank des Helmholtz-Zentrums Geesthacht beim Test.

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35Technologieentwicklung

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Aus der Atemluft der Fluggäste entstehen in-nerhalb von sechs bis zehn Jahren Flugeinsatz bis zu mehrere hundert Kilogramm Wasser, die durch die Kabine in die Isolierung des Flugzeug-rumpfes dringen und sich an der kalten Außen-wand als Wasser oder Eis niederschlagen. Sie entsprechen dem Gewicht von mehreren Passa-gieren und kosten zusätzlichen Treibstoff. Auch die Isolierung selbst leidet unter der Feuchtigkeit: Sie isoliert schlechter und schimmelt, außerdem können Kurzschlüsse in der Elektrik entstehen. Trotz spezieller Isoliermaterialien und ausge-klügelter Wasserleitsysteme im Flugzeugrumpf muss die Isolierung je nach Flugzeugtyp und -nutzung immer wieder ausgetauscht werden.

Am Institut für Thermofluiddynamik der TU Ham-burg-Harburg (TUHH) sucht man deshalb ge-meinsam mit dem Industriepartner XRG Simu-lation GmbH nach neuen Lösungen. Durch den Einsatz maßgeschneiderter, physikalisch basier-ter Computermodelle hilft die XRG Simulation GmbH, Produkte in der Energietechnik zu opti-

mieren. Computersimulationen ermöglichen Ein-blicke in technische Systeme, die messtechnisch nur mit großem Aufwand oder gar nicht zugäng-lich sind. Ein Beispiel hierfür ist die Isolierung von Flugzeugen. Zur Optimierung der Flugzeugisolie-rung ist es wichtig zu wissen, wie genau sich das Wasser in der Isolierung niederschlägt, ob es den Umweg über den flüssigen Zustand nimmt oder sofort gefriert und wo es sich ansammelt: in der Isolierung oder an der Außenwand.

Konventionelle Messtechniken, z.B. aus der Bauphysik, liefern eine schlechte oder gar keine Auflösung der Wasserverteilung. Deshalb ent-stand ein neuer Versuchstand der TUHH, der die Isolierung bei den verschiedenen Temperatur und Feuchtigkeitsverhältnissen während eines Transatlantikfluges simuliert. Anschließend un-tersuchten die Wissenschaftler die Isolierung mit Neutronen am Radiographie- und Tomographie- instrument ANTARES der Technischen Universi-tät München, um zu sehen, wo sich Wasser oder Eis während der Steigphase, dem Flug, dem Sinkflug und der Bodenphase befinden.

Die Neutronen treffen auf die verschiedenen Ma-terialien der Flugzeugwand, von Wasser werden sie am meisten abgebremst. So entstanden mit Hilfe einer Spezialkamera Bilder, die mit hoher räumlicher Auflösung die Wasserverteilung in der Isolierung während der verschiedenen Flugpha-sen abbilden. Das Ergebnis hilft der Überprüfung und Verbesserung von Simulationsmethoden zur Vorhersage der Wasserverteilung und damit bei der Weiterentwicklung der Flugzeugisolierung.

Partner:XRG Simulation GmbHHamburg

Dem Wasser in der Isolierung von Flugzeugen auf der Spur

Die Radiographie zeigt die Verteilung des Wassers in der Isolie-rung: von höherer Konzentration (rot) bis zu niedrigerer Konzen-tration (blau).

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Dr. Stefan Wischhusen, Geschäftsführer XRG Simulation GmbH, Hamburg

„An die von uns erstellten Simulationsmodelle werden hohe Anforderungen gestellt. Wir sind deshalb auf einen Abgleich mit detaillierten Messungen angewiesen. Die Neutro-nenspektroskopie war dabei ein wichtiger Bestandteil unserer Untersuchung der Feuch-tigkeit in der Flugzeugisolierung. Sie haben Einblicke ermöglicht, die mit konventionellen Messtechniken aus der Bauphysik nicht machbar gewesen wären. Durch die auf diese Weise abgestimmten Modelle konnten neue zukunftsweisende Konzepte von Isolie-rungsaufbauten entwickelt werden, die die Kondensation deutlich verringern.“

Ein Airbus A 380 auf dem Vorfeld des Flughafen München.

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Die meisten Reiniger für Farb- oder Klebstoffrück-stände im Bau- und Heimwerkerbereich beste-hen überwiegend aus flüchtigen organischen Lösemitteln, die umwelt- und gesundheitsschäd-liche Komponenten freisetzen. Es sollte ein Er-satz gefunden und getestet werden, der es er-laubt, diese schädlichen Anteile entscheidend zu verringern oder ganz darauf zu verzichten.

Jülicher Forscher hatten die Idee, anstelle der Lösungsmittel sogenannte Mikroemulsionen ein-zusetzen. Das sind Mischungen aus wässrigen und öligen Bestandteilen sowie einer großen Menge von Tensiden – einer zu großen für einen praktischen Einsatz. Deshalb hatten die Forscher einen Zusatzstoff aus der Klasse der sogenann-ten Blockcopolymere im Auge, durch den die

Neuartiger Farblöser reinigt Pinsel ohne Lösungsmittel

Auch Graffiti können mit Hilfe des neuen Farblösers leichter entfernt werden.

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Tensidmenge gesenkt werden konnte. Denn in früheren Experimenten hatten sie gemeinsam mit Kollegen der Universität Köln herausgefunden, dass Blockcopolymere die Effizienz von Tensi-den vervielfachen können. Die Blockcopolymere waren zwar wirkungsvoll, jedoch nicht auf dem Markt erhältlich, zu teuer in der Herstellung und biologisch schwer abbaubar.

Die Wirkungsweise des Blockcopolymers hat-ten die Forscher mithilfe von Neutronenstreuex-perimenten an den Kleinwinkelstreuanlagen

KWS-1 und KWS-2 entschlüsselt, zunächst in Jülich, dann am FRM II. Diese zeigten, dass sich die Blockcopolymere an der Grenze zwischen Öl und Wasser einlagern. Sie versteifen so die Grenzschicht zwischen den wässrigen und öli-gen Bereichen der Mikroemulsionen. Dadurch verringert sich die Membranfläche und der Be-darf an waschaktiven Substanzen sinkt. Sie fan-den ähnliche Eigenschaften bei den Tensiden, die aber kommerziell verfügbar, preisgünstig und biologisch leicht abbaubar sind.

Auch die ausgewählten Rohstoffe testeten die Forscher im Neutronenexperiment auf die ge-wünschten Eigenschaften und optimierten dann die Zusammensetzung der Mikroemul-sion. Die Rezeptur wurde in Zusammenarbeit mit dem mittelständischen Unternehmen Bernd Schwegmann GmbH & Co. KG weiter optimiert. So entstand erstmals ein Farblöser, der mit ei-ner geringen Tensidmenge und ohne Zusatz von organischen Lösemitteln auch schwerlösliche Farb- und Lackreste sowie Ruß, Teer und Kleb-stoffe entfernt. Der neue Reiniger wurde von der Alfred Clouth Lackfabrik GmbH & Co. KG aus Of-fenbach am Main auf den Markt gebracht.

Partner:Bernd Schwegmann GmbH & Co. KGGrafschaft-Gelsdorf

Der mit Neutronen entwickelte Farblöser ist im Fachhandel erhältlich.

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Die Industrie entwickelt permanent neue Werk-stoffe und Komponenten, um den Materialien neue und oft auch ganz spezifische Eigenschaf-ten zu verleihen. Häufig sind dazu auch völlig neue Produktionsverfahren nötig, deren Bedin-gungen Auswirkungen auf die fertigen Bauteile haben. Beispielsweise beeinflussen Umformver-fahren die Mikrostruktur des Materials und damit die Eigenschaften der fertigen Teile. Schlimms-tenfalls können bei solchen Prozessen Eigen-spannungen entstehen, die zu Rissen in den Bauteilen führen. Die Messung und Analyse von Eigenspannungen in Prototypen ist also enorm wichtig für die spätere kostengünstige Produkti-on von stärkeren oder leichteren Komponenten. Dafür haben sich Methoden der Neutronenbeu-gung vielfach bewährt. Sie gewähren detaillier-te Einblicke in die Textur und die phasenspezi-fischen Eigenspannungen von Bauteilen, ohne dass diese dabei zerstört oder unbrauchbar werden. Sie können nach der Analyse für weitere Untersuchungen genutzt werden.

Das Neutronendiffraktometer STRESS-SPEC eignet sich durch seine sehr flexible Konfigura-tion für Textur- und Eigenspannungsanalysen. Es ermöglicht eine kombinierte Analyse der glo-balen Beschaffenheit und der lokalen Textur in einer Vielzahl von Materialien wie Metallen, Le-gierungen, Verbundwerkstoffe, Keramiken und geologischen Materialien. Die quantitative Tex-turanalyse von neuen Materialien ist wichtig, um ihr anisotropes (richtungsabhängiges) Verhalten studieren zu können und die technologischen Verfahren wie Tiefziehen, Biegen, Metalldrücken usw. bereits im Vorfeld zu optimieren. Der Haupt-vorteil der Neutronenbeugung gegenüber der Röntgenbeugung ergibt sich aus der Tatsache, dass die Wechselwirkung von Neutronen mit dem Material ziemlich schwach ist. Die Eindring-tiefe der Neutronen ist etwa 102 - 103 -mal größer als bei der Röntgenbeugung. Ein weiterer Vorteil ist die relativ einfache Probenvorbereitung.

Beim Hydroformen etwa werden metallische Rohre in einem geschlossenen Werkzeug durch einen hohen Innendruck hergestellt. Das Material wird dabei nach außen gedrückt. Der Prozess soll eine gleichmäßige Wandstärke gewährleisten. Neutronenexperimente an solchen Rohren zeig-ten, dass alle Rohre eine Texturvariation über den gesamten Umfang aufwiesen, der aus der grob-körnigen Mikrostruktur des Barrens und dem Er-hitzungsprozess stammt. Mit dieser Information konnte ein Herstellungsprozess entwickelt wer-den, der den hohen Qualitätsanforderungen an solche Rohre gerecht wird.

Partner:Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing. habil. Heinz-Günter BrokmeierInstitut für Werkstoffkunde und Werkstofftechnik Technische Universität Clausthal

Eigenspannungen in Bauteilen

Mit einem Roboter werden die Proben am Instrument STRESS-SPEC gehandhabt.

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Eine Eisenbahnschiene wird auf innere Spannungen untersucht.

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Die mechanischen und chemischen Eigenschaf-ten von Beton hängen wesentlich von dem fes-tigkeitsgebenden Calciumsilikathydrat (C-S-H) ab. Um diesen Prozess durch die verwendeten Ausgangsmaterialien, Zement, Wasser und Zu-satzstoffe, im Hinblick auf Kosten und mecha-nische Eigenschaften zu optimieren, muss der Ablauf der Wasserbindung im Detail verstanden werden.

Herkömmliche Methoden der Strukturunter-suchung mit Röntgenstrahlen und Kernspin-resonanz geben zwar einen Aufschluss über die atomaren Strukturen, erlauben aber keinen hinreichend genauen Einblick in den Ablauf der Wasserbindung. Einen Fingerabdruck der sich bildenden Phasen konnte mit der Neutronen- spektroskopie gewonnen werden, da der sich einlagernde Wasserstoff mit unterschiedlichen Frequenzen schwingt. Diese Schwingungen wur-den im Laufe des Aushärtungsprozesses wäh-rend 36 Stunden gemessen.

Am MLZ kam hierbei das Instrument TOFTOF zum Einsatz. Die Wissenschaftler vom Centrum für Baustoffe und Materialprüfung der TUM un-tersuchten gezielt die Reaktion von Tricalcium-silikat mit Wasser. Zu Beginn der Reaktion wird ein Anstieg des Anteils an physikalisch gebun-denem Wasser beobachtet. Dies führen die Wis-senschaftler auf die Bildung einer frühen Form des Calciumsilikathyhrats zurück, das eine be-sonders große spezifische Oberfläche von etwa 800 m2 pro Gramm aufweist. Wie viel Wasser im weiteren Prozess physikalisch gebunden wird, hängt im Wesentlichen von zwei Faktoren ab: der Bildung von weiterem frühen Calciumsilikathyd-rat, das die Gesamtoberfläche vergrößert, sowie deren Reduzierung durch Verkettung des C-S-H.

Das Verständnis dieses Aushärtungsvorgangs ermöglicht nun gezielt diesen Prozess zu beob-achten und den Einfluss der Zusatzstoffe zu un-tersuchen, um damit die Betoneigenschaften zu optimieren.

Partner:Centrum Baustoffe und MaterialprüfungTechnische Universität München

Betonhärtung: Was macht das Wasser im Zement?

Der ausgehärtete Zement nach der Messung mit Neutronen.

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Der Probenhalter enthält den Zement.

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MedAustron verwendet eine innovative Form der Strahlentherapie, die Ionentherapie. Dabei wer-den Tumore mit geladenen Teilchen, entweder Protonen oder Kohlenstoffionen, bestrahlt. Die Ionentherapie ist optimal zur Behandlung von Tumoren in der Nähe von strahlungsempfind-lichen Organen, da die maximale Energieabga-be genau auf den Bereich der Tumorerkrankung fokussiert werden kann. Ein wesentlicher Faktor bei der Behandlung ist die exakte Positionie-rung der Patienten, wofür ein weltweit einzigarti-ges Positionierungssystem zum Einsatz kommt. Das radART-Institut für Technologieentwicklung der Paracelsus Medizinischen Privatuniversität und die medPhoton GmbH entwickeln gemein-sam für EBG MedAustron GmbH ein innovatives Computer-Tomographie-System (CT), welches die Position des Tumors unmittelbar vor der ei-gentlichen Bestrahlung verifiziert und damit der hohen Präzision in der Patientenpositionierung gerecht wird.

Durch die Bestrahlung mit energiereichen Proto-nen werden im Patienten energiereiche Neutro-nen erzeugt, d.h. der Patient wird in dieser Zeit selbst zu einer „Strahlenquelle“, die umgebende elektronische Bauteile schädigen kann. Im medi-zinischen Routinebetrieb dürfen solche Bestrah-lungseinrichtungen aber keinesfalls ungeplant ausfallen bzw. muss ein Ersatz bereitgehalten werden. Um den ungeplanten Ausfall einer Be-strahlungsanlage zu vermeiden, ist es wichtig zu wissen, wann Teile ausgetauscht werden müs-sen. Außerdem darf ein Ausfall elektronischer Komponenten den Patienten zu keinem Zeitpunkt gefährden. Beide Fragen konnten durch den ex-perimentellen Aufbau am FRM II beantwortet werden, indem strahlenempfindliche Komponen-ten in der Bestrahlungseinheit SR10 des FRM II einer Neutronendosis ausgesetzt wurden, die einem klinischen Betrieb von 10 bzw. 25 Jahren

Strahlungsresistenz von Bauteilen für die Ionentherapie

Chip bei der Testbestrahlung mit Neutronen.

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entspricht. Anschließend wurde getestet, ob sie noch einwandfrei funktionieren beziehungsweise das jeweilige „Verfallsdatum“ bei der angenom-menen Neutronendosis festgelegt.

Auch Bildsensoren von Kameras müssen für ver-schiedene Anwendungen resistent gegenüber Partikelstrahlung sein. Das gilt für Sensoren, die in der Raumfahrt eingesetzt werden, aber auch für solche, die in der Forschung in Detektoren verwendet werden. In dem großen internationa-len Projekt „Compressed Baryonic Matter“ bei FAIR, Darmstadt, werden solche Sensoren ver-wendet. Sie wurden nach der Bestrahlung mit schnellen Reaktorneutronen nach den entspre-

chenden Kriterien getestet und können so für ih-ren Einsatzzweck optimiert werden.

Partner:radART-Institut (Institut für Technologieentwicklung in der Strah-lentherapie der Paracelsus Universität)EBG MedAustron GmbH, Wiener Neustadt, Österreich

Institut für Kernphysik, Goethe-Universität Frank-furt und das Institut Pluridisciplinaire Hubert Cu-rien (IPHC), Frankreich

Dr. Bernd Mößlacher, Geschäftsführer EBG MedAustron, Wiener Neustadt, Öster-reich

„In den Bestrahlungsräumen bei MedAustron werden Bauteile mit integrierten elek- tronischen Komponenten verwendet. Es war fraglich, ob die durch die Ionentherapie entstehende Neutronenstrahlung diese beschädigt oder in ihrer Funktion stört. Die Tests ermöglichten eine wertvolle Abschätzung der Komponentenbelastung durch Neutro-nen, welche maßgeblichen Einfluss auf die Bauteil- bzw. Systementscheidungen hatte. Die positiven Ergebnisse dieser Tests bestärken uns, in diese Richtung weiter zu entwi-ckeln.“

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Eigenspannungen entstehen bei Verbund-guss-Werkstücken, wenn sich zwei verschiedene Metalle beim Abkühlen unterschiedlich ausdeh-nen. Dies führt im schlimmsten Fall zu Rissen in den späteren Zylinderlaufbuchsen von Fahrzeu-gen. Diese Spannungen während des Abkühlens an einer Verbundgussform aus Aluminium und Stahl wurden erstmals mit Neutronen in-situ un-tersucht.

Neutronen am Instrument STRESS-SPEC, die auf die Atome der Alu- und Stahllegierungen

trafen, maßen die Dehnung beim Abkühlen im Atomgitter und ließen so völlig zerstörungsfrei Rückschlüsse auf die Spannung im gesamten Werkstück zu. Das Ergebnis der Wissenschaftler des Lehrstuhls für Umformformtechnik und Gie-ßereiwesen der Technischen Universität Mün-chen zeigte: Spannungen, die einer Last von bis zu 20 Kilogramm pro Quadratmillimeter entspre-chen, treten erst ab einer Abkühl-Temperatur von 350 °C auf. Die Ursache: Das Aluminium zieht sich beim Abkühlen doppelt so stark zusammen wie der Stahl. Sichtbar werden diese enormen

Spannungen in Stahl gegossen

Messungen an Verbundgusswerkstücken verbessern die Simulationsmodelle der Gießereiindustrie.

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Kräfte lediglich durch wenige Hundertstel Milli-meter, um die sich die Stahlhülse beim Abkühlen verformt.

In der Gießereiindustrie wird bei der Fertigung der Zylinderlaufbuchsen ein Computerprogramm verwendet, das die Spannungen in Werkstücken aus zwei Metallen simuliert. Die Ergebnisse der Messungen am FRM II zeigten, dass dieses Pro-gramm einen wichtigen Faktor nicht berücksich-tigte. Es berechnete die Spannungen drei Mal höher als sie tatsächlich waren. Denn die Simu-lation lässt außer Acht, dass der Aluminiumring im Versuchszylinder sich durch Kriechprozesse noch ein wenig an den härteren und sich geringer zusammenziehenden Stahlkern anpasst.

Inzwischen wurde ein verallgemeinertes Com-putermodell für temperaturabhängige Kriechpro-zesse entwickelt, das die Spannungen zwischen den Metallen abschwächt. Die Gießereiindustrie hat daran großes Interesse.

Partner:Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk Lehrstuhl für Umformtechnik und GießereiwesenTechnische Universität München

Dr. Andreas Fent, Leiter Planung Druckguss, BMW Group, Landshut

„Bei der Entwicklung des Magnesium/Aluminium-Verbund-Kurbelgehäuses für den 6 Zylinder-Benzinmotor haben sich neben den Eigenspannungen durch den Materialver-bund auch die Anbindung zwischen Magnesium-Umguss und Aluminium-Einlegeteil als kritisch herausgestellt. Sowohl die Eigenspannungen im Bauteilinneren als auch die Anbindung (Anm.: durch Imprägnieren mit Kunstharz, das wasserstoffhaltig und damit stark kontrastierend zum Aluminium und Magnesium ist) konnten in der Entwicklungs-phase nur mit Neutronen gemessen, bzw. geprüft werden. Auf Basis dieser Messungen konnten dann serientaugliche Prüfverfahren entwickelt und auch verifiziert werden. Mitt-lerweile ist die Produktion des Verbundkurbelgehäuses nach 2,3 Mio. Stück, ohne nen-nenswerte Produktionsprobleme, ausgelaufen. Das Projekt wäre ohne die Ergebnisse aus dem Forschungsreaktor nicht oder kaum durchführbar gewesen.“

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49Qualitätssicherung

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Graphit wird in der Industrie in großen Mengen eingesetzt, beispielsweise als Elektrodenma-terial für Batterien, für Filterzwecke oder auch in kerntechnischen Anlagen als Reflektor- und Moderatormaterial. Technischer Graphit enthält meist Verunreinigungen mit anderen Elementen wie Chrom, Eisen, Nickel, Mangan, Blei und Bor, die den Verwendungszweck stark einschränken. Bei Graphit, das in kerntechnischen Anlagen ein-gesetzt wird, stört besonders die Verunreinigung mit Bor wegen des hohen Absorptionsquer-schnitts für thermische Neutronen.

Der Handel von kerntechnikrelevantem Material wird international streng kontrolliert. Graphit darf deshalb nur als „nuklearreiner“ Graphit und mit besonderen Auflagen exportiert werden. Nukle-arreiner Graphit ist Graphit mit einem Reinheits-grad, der einem sogenannten Boräquivalent von weniger als 5 ppm entspricht, und mit einer Dich-te von über 1,50 g/cm3. Eine genaue Bestimmung des Boräquivalents ist deshalb für viele indust-

rielle Verwendungszwecke wichtig, manchmal sogar gesetzlich vorgeschrieben. Dafür kom-men sowohl die Neutronenaktivierungsanalyse (NAA) und Prompte Gamma Aktivierungsanalyse (PGAA) in Frage.

Der FRM II verfügt über eine Reihe von Bestrah-lungskanälen für die Neutronenaktivierung und ermöglicht eine Multi-Elementanalyse durch die Kombination von NAA und PGAA. Die PGAA ist für die Boräquivalent-Bestimmung am besten geeignet, weil die Methode auf der Messung der Elemente mit den größten Wirkungsquerschnit-ten für Neutronen beruht. Die NAA erlaubt eine genaue Messung aller Spurenelemente, ist aber bei den leichten Elementen wie Bor, Wasserstoff und Stickstoff nicht mehr präzise genug. Genau diese Elemente aber liefern den höchsten Beitrag für das Boräquivalent. Der Kunde bekommt des-halb mit einer PGAA-Analyse ein sehr umfassen-des und nach Elementen selektiertes Ergebnis.

Boräquivalent als Maßgröße für Verunreinigungen

Der Handel mit Graphit wird international streng kontrolliert.

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Die Prompte Gamma Aktivierungsanalyse findet Verunreinigungen in Materialien.

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Eine Autotür besteht aus einzelnen miteinander verklebten Komponenten. Der Automobilkon-zern Ford suchte nach einer Methode, um die Qualität dieser Verklebung zu kontrollieren. Es sollte sichtbar werden, ob sich für eine sichere Verbindung der Komponenten genug Kleber an der richtigen Stelle befand. Das gesuchte Ver-fahren sollte zerstörungsfrei, leicht zu handhaben und kostengünstig sein. Geeignete Methoden zur Prozessüberwachung schienen: Ultraschall, Thermographie und Röntgentomographie. Um die Empfindlichkeit der verschiedenen Metho-den zu vergleichen, wurde eine spezielle Autotür präpariert.

Auch Neutronentomographie am Instrument ANTARES des MLZ kam zum Einsatz. Sie zeig-te eine Lücke in der Klebefläche in sehr hoher Auflösung. Ebenso sind die einzelnen Klebefron-

ten deutlich zu sehen. Bei genauerem Hinsehen konnten auch kleine Inhomogenitäten im Bereich des Klebers im Millimeterbereich erkannt werden, die durch andere Methoden verborgen blieben.

Diese Aufnahmen dienten als Standard für die Fertigung, um günstigere und ebenso gut geeig-nete Methoden identifizieren zu können. Auch die Röntgenradiographie zeigte eine gute Auflösung, jedoch nicht so hoch wie die mit Neutronen. Ul-traschall war das bisher verwendete Verfahren, hätte aber umständlich auf Autotüren angepasst werden müssen. Röntgenographische Verfahren wären grundsätzlich geeignet, jedoch sind die Bauteile zu groß für die üblichen Geräte.

Partner: Ford-Werke GmbH

Qualitätssicherung bei der Produktion von Autotüren

Die Neutronenradiographie (links) zeigt eine Lücke in der Klebefläche. Rechts das Original.

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Radiographien von großen Bauteilen sind am Instrument ANTARES möglich.

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Die Bestrahlung mit Neutronen dient nicht nur der Elementanalyse (siehe Seite 56 Neutronen-aktivierungsanalyse), sondern auch vielen an-deren Zwecken. So bestimmen Geologen mit Hilfe neutronenbestrahlter Proben das Alter von Gesteinen. Darüber hinaus bietet der FRM II mit Hilfe des Bestrahlungsdienstes auch Produkti-onsverfahren für Produkte wie dotiertes Silizium (siehe Seite 28) oder Strahlenquellen für Mess- und Überwachungseinrichtungen an.

Geowissenschaftler aus aller Welt nutzen Neu- tronenbestrahlungen am FRM II für die Altersbe-

stimmung von Gestein. Die sogenannte Spalt- spuranalyse wird beispielsweise eingesetzt, um mögliche Lagerstätten von Gas oder Öl zu iden-tifizieren. Die in dem Gestein enthaltenen Mine-ralien Apatit und Muskovit weisen Spuren von Uran-238 auf. Der natürliche radioaktive Zerfall von Uran-238 hinterlässt Spuren, sogenannte Spaltspuren, die bei entsprechender Behandlung unter dem Mikroskop sichtbar werden. Aus der radioaktiven Halbwertszeit von Uran-238 und der Zahl der Spaltspuren pro Volumen kann das Alter des Gesteins bestimmt werden. Das Gestein ent-hält neben Uran-238 auch das Isotop Uran-235 in einem konstanten ursprünglichen Verhältnis. Am FRM II wird die Spaltung von Uran-235 durch Bestrahlung mit Neutronen ausgelöst. Die da-durch zusätzlich entstandenen Spaltspuren des Uran-235 ermöglichen die genaue Bestimmung der ursprünglich in den Mineralien enthaltenen Gesamturanmenge. Das Alter des Gesteins er-gibt sich aus dem Verhältnis von natürlichen und künstlich erzeugten Spaltspuren.

Radioaktive Quellen werden unter anderem für industrielle Anwendungen genutzt. Ein wichtiges Beispiel ist Kobalt-60, das durch Neutronenbe-strahlung in der Kapselbestrahlungsanlage für die Eckert & Ziegler Nuclitec GmbH am FRM II hergestellt wird. Die auf diese Weise produzierten Quellen mit einer hohen Aktivität (mehr als 1 TBq/Jahr) werden von EZAG Nuclitec für Messgeräte zur Überwachung und Kalibrierung weiterver-arbeitet. Eine weitere Anwendung radioaktiver Quellen ist ihr Einsatz als Marker für Messungen in optisch nicht zugänglichen Umgebungen, wie etwa in unterirdischen Pipelines.

Partner:Eckert & Ziegler Nuclitec GmbH, Braunschweig

Neutronenstrahlen zur Gesteinsanalyse und Produktion von Strahlenquellen

In der Kapselbestrahlungsanlage wird Kobalt-60 hergestellt.

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Um das Alter von Gesteinen zu ermitteln, wird häufig die Großvolumenbestrahlungsanlage benutzt.

Stefan Hasselhuhn, EZAG Nuclitec GmbH, Braunschweig

„Wir lassen Kobalt am FRM II bestrahlen, um daraus Strahlenquellen für Industrie-anwendungen herzustellen. Aufgrund des hohen Neutronenflusses am FRM II ist die Bestrahlung schnell abgeschlossen, sodass Zeit und Kosten gespart werden können. Wichtig ist für die Firma Eckert & Ziegler Nuclitec GmbH auch die relative Nähe zum FRM II: Innerhalb Deutschlands ist der Transport schnell und preisgünstig. Oftmals kön-nen wir mit der Bestrahlungsgruppe auch Termine auf Zuruf vereinbaren, was uns sehr entgegenkommt.“

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Mit der Neutronenaktivierungsanalyse (NAA) kann die Elementzusammensetzung einer Probe sehr genau bestimmt werden. Die NAA ist in vie-len Fällen deutlich empfindlicher als eine konven-tionelle chemische Analyse. Je nach Zusammen-setzung der Probe kann die NAA bis zu einem Atom unter einer Billion anderer entdecken. So-wohl Geologen als auch Umweltanalytiker oder Qualitätsmanager nutzen hierfür die Bestrah-lungsanlagen der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz.

So wird regelmäßig Graphit auf seine Elementzu-sammensetzung überprüft (siehe Seite 50). Der Handel mit Graphit, das auch als Moderator in nukleartechnischen Anlagen verwendet werden kann, wird weltweit streng kontrolliert. Nur hoch-reiner Graphit kann in der Nukleartechnik ver-wendet werden. Eine Firma, die mit Graphit han-delt, lässt am FRM II überprüfen, ob das Graphit mit Spurenelementen verunreinigt ist.

Auch Silizium wird mittels NAA auf seine Rein-heit untersucht. Im Auftrag der Firma Topsil aus Dänemark werden Proben aus Siliziumkristallen, die für die Halbleiterindustrie bestimmt sind, in der Kapselbestrahlungsanlage bestrahlt. Die Ele-mente werden dabei unterschiedlich stark akti-viert und geben deshalb ein charakteristisches, messbares Muster ab. Auch bei Silizium geht es um die Reinheit des Produkts und damit um eine Qualitätssicherung des Fertigungsprozesses. Fremdatome im Silizium können bis hinab in in einen Konzentrationsbereich von ppb (parts per billion) und ppt (parts per trillion) nachgewiesen und quantifiziert werden.

Im Auftrag der Nationalen Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle (NAGRA), die sich in der Schweiz mit der Entsorgung radioaktiver Abfälle befasst, wurden Materialien, die in Kern-

kraftwerken und für Transportbehälter (z. B. vom Typ CASTOR) eingesetzt werden, mittels NAA auf ihre Haupt-, Neben- und Spurenbestandteile analysiert. Anhand der Analyseergebnisse kön-nen zuverlässige Aussagen über Art und Menge derjenigen radioaktiven Stoffe gewonnen wer-den, die beim Einsatz der Materialien durch Ein-wirkung von Neutronen produziert werden und später als radioaktiver Abfall zu entsorgen sind.

Partner: Semiconductor Materials A/S Topsil, Dänemark

Nationale Genossenschaft für die Lagerung radi-oaktiver Abfälle (NAGRA), Schweiz

Auf Reinheit geprüft

Die Proben werden mit einer Rohrpost zur Bestrahlung in das Reaktorbecken gesandt.

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Die zu bestrahlende Probe wird präpariert.

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Die Bauindustrie setzt schon immer Holzkons-truktionen ein, in neuerer Zeit entstehen ganze Häuser aus hölzernen Fertigteilen. Bauteile ent-halten neben Holz meist auch andere Bestandteile wie Kleber, Leim oder Metalle, die zu verschiede-nen Zwecken untersucht werden müssen. Auch Archäologen finden oft Relikte, die aus Holz im Verbund mit anderen Materialien vorliegen.

Reines Holz kann meist ausreichend gut durch Röntgenstrahlung untersucht werden, Verbund-materialien oder Holzschichten von mehreren Zentimetern Dicke stellen besondere Anforde-rungen. Eine vollkommene Barriere für Rönt-genstrahlen bilden integrierte Metallplatten, wie sie an Verbindungsstellen von Holzbauwerken vorkommen. Transparent werden sie für Neutro-nen. Die Radiographie mit thermischen Neutro-nen kann für dünne Platten bis etwa 2 cm Dicke noch eingesetzt werden, bildet aber größere und dickere Holzteile wie Balken nicht mehr mit einer genügend großen Auflösung ab. In Zusammenar-beit mit der Bundesanstalt für Materialforschung haben Wissenschaftler am FRM II ein Verfahren entwickelt, um selbst große Volumina mit einer solchen gemischten Zusammensetzung zerstö-rungsfrei untersuchen zu können.

Die Radiographie mit schnellen Neutronen brach-te den Durchbruch. Die Dicke der Probe kann bis zu 49 cm betragen, die Breite bis zu 23,5 cm und es zeigten sich weitere Vorteile: Schnelle Neutro-nen durchdringen sowohl Metalle, die mit dem zu untersuchenden Holzteil verbunden sind, und sie werden von wasserstoffhaltigen Materialien wie Kleber und ähnlichen absorbiert. Auch in Fällen, in denen beide Umstände zum Tragen kommen, enstehen noch Bilder in guter Auflösung. Schä-digungen im Holz konnten z. B. in einem Bauteil einer Holzbrücke über die Donau in Dietfurt, die wegen Einsturzgefahr abgerissen werden muss-

te, durch eine Stahlplatte hindurch erkannt wer-den. Eine ungleichmäßige Verteilung von Leim in einem Brettschichtholz wurde mittels einer To-mographie auch mit eingeschränktem Winkelbe-reich in einer Breite von 23,5 cm dargestellt. Mit schnellen Neutronen wurden so bei zwei sehr un-terschiedlichen Materialeigenschaften sehr gute Ergebnisse erzielt.

Partner:Bundesanstalt für Materialprüfung (BAM)

Mit Neutronen dicke Bretter bohren

Neutronentomographie (rechts) für das hölzernes Verbindungs-element mit Stahlplatte und Bolzen (links). Die hölzernen Struk-turelemente senkrecht zur eingelassenen Stahlplatte sind gut zu erkennen.

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Die schadhafte Holzbrücke über die Donau bei Dietfurt.

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61Medizin

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Seit Jahrzehnten wird Lithium in der Behandlung bei verschiedenen psychischen Erkrankungen wie Depressionen, Manien und bipolaren Stö-rungen eingesetzt. Die genaue biologische Wir-kungsweise in bestimmten Gehirnregionen ist unbekannt, aber es hellt die Stimmung auf und senkt das Aggressionspotential. Mehrere inter-nationale Studien haben gezeigt, dass ein höhe-rer natürlicher Lithiumgehalt im Trinkwasser zu einer niedrigeren Suizidrate in der Bevölkerung führt. Lithium wird auch bei unbehandelten Per-sonen im Gehirn eingelagert, es könnte deshalb durchaus ein essentielles Spurenelement für den Menschen sein.

Wissenschaftler der Technischen Universität München erhielten dreierlei Gewebeproben der Rechtsmedizin der Ludwig-Maximilians-Uni-versität München (LMU): von Patienten, die mit Lithium behandelt wurden, von unbehandelten Patienten und von gesunden Vergleichsperso-nen. Diese setzten die Physiker der Prompten Gamma Aktivierungsanalyse am FRM II einem fokussierten kalten Neutronenstrahl höchster In-tensität aus.

Lithium reagiert sehr spezifisch mit Neutronen und zerfällt in ein Helium- sowie ein Tritiumatom. Mit einem speziellen Detektor können deshalb so geringe Mengen wie 0,45 Nanogramm Lithi-um pro Gramm Gewebe gemessen werden. Die Ergebnisse erstaunen: Nur bei den Proben eines depressiven Patienten, der mit Lithium behandelt worden war, beobachteten die Wissenschaftler eine höhere Anreicherung des Lithium in der so-genannten weißen Substanz. Das ist der Bereich im menschlichen Gehirn, in dem die Nervenbah-nen laufen. Der Lithiumgehalt in der benachbar-ten grauen Substanz war 3-4-fach geringer. Die Lithium-Anreicherung in der weißen Substanz konnte bei den unbehandelten depressiven Pa-

tienten dagegen nicht beobachtet werden. Das weist darauf hin, dass Lithium nicht wie andere Psychopharmaka im Zwischenraum der Ner-venzellen wirkt, sondern in den Nervenbahnen selbst.

Neutronen zeigen Anreicherung von Antidepressivum im Gehirn

Gegen Depressionen wird seit Jahrzehnten Lithium eingesetzt (Gemälde von Vincent van Gogh).

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Die Gehirnschnitte werden zur Untersuchung in einen Probenwechsler eingespannt.

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Neuroendokrine Tumore, wie etwa Bauchspei-cheldrüsenkrebs, können mit der sogenannten Peptidrezeptor-Radionuklid-Therapie erfolgreich behandelt werden. Ihre Zelloberfläche besitzt zahlreiche Rezeptoren, an die sich bestimmte Peptide bevorzugt anlagern. Für die Behand-lung wird deshalb das radioaktive Isotop Lu-tetium-177 chemisch an entsprechende Pep-tide gekoppelt und gelangt mit ihnen nach der Injektion in den Tumor. Durch den radioaktiven Zerfall des Lutetium-177 werden die Tumorzel-len so stark geschädigt, dass der Zelltod eintritt. Von besonderem Vorteil ist, dass die Strahlung des Lutetium-177 im menschlichen Gewebe nur im Umkreis von maximal zwei Millimetern wirkt. Umliegendes Gewebe bleibt also verschont.

Herstellen lässt sich das radioaktive Lutetium-177 nur an Neutronenquellen mit einem hohen Neu-tronenfluss, wie ihn der FRM II liefert. Auf dieser Basis haben Wissenschaftler des Instituts für Ra-diochemie der Technischen Universität München zusammen mit der Firma Isotopes Technologies Garching GmbH (ITG) einen völlig neuen Herstel-lungsprozess entwickelt. Das Radioisotop Luteti-um-177 wird dabei durch Neutronenbestrahlung aus angereichertem Ytterbium-176 gewonnen.

Im Gegensatz zur Nutzung von Lutetium-176 als Ausgangsmaterial vermeidet dieser Prozess die Entstehung des unerwünschten, langlebigen radioaktiven Lutetium-177m als Nebenprodukt, das aufgrund seiner langen Halbwertszeit Prob-leme in der Behandlung radioaktiver Klinikabfälle verursacht.

In der Kapselbestrahlungsanlage des FRM II dauert eine typische Bestrahlung zur Herstellung von Lutetium-177 14 Tage. Dank des rollierenden Betriebs, einem geschickten Wechsel von Be-strahlungspositionen, kann jedoch jede Woche eine bedarfsgerechte Charge zur Weiterverarbei-tung an die ITG GmbH abgegeben werden. Das Isotop Lutetium-177 zerfällt mit einer Halbwerts-zeit von 6,6 Tagen, deshalb ist die kurze Distanz von wenigen Metern zwischen der ITG GmbH und dem FRM II ausgesprochen vorteilhaft. Kur-ze Transportwege und eine schnelle Verarbeitung stellen sicher, dass ein möglichst großer Teil der erzeugten Lutetium-177-Aktivität in den Kliniken zur Therapie verfügbar ist.

Krebszellen effizient bestrahlen

Das Lutetium-177 — links in seiner Verpackung — entsteht durch Neutroneneinfang aus Ytterbium-176.

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Aktuell werden wöchentlich und deutschlandweit etwa 50 Patienten mit dem am FRM II produzier-ten und von der Firma ITG GmbH veredelten Lu-tetium-177 behandelt.

Die Forschungs-Neutronenquelle wird derzeit so aufgerüstet, dass sie in Zukunft ein weiteres medizinisch wichtiges Radioisotop produzieren kann. Molybdän-99 ist das Mutterisotop von Technetium-99m, das weltweit in über 70 % aller bildgebenden Verfahren eingesetzt wird. Es dient dabei der Tumordiagnose, aber auch zum Bei-spiel der Überprüfung der Herzfunktion. Weltweit wird Molybdän-99 nur in wenigen Forschungsre-aktoren produziert. Da bereits des Öfteren Eng-pässe aufgetreten sind, werden dringend weitere Produktionskapazitäten gesucht. Der FRM II wird nach Inbetriebnahme der notwendigen neuen Bestrahlungsanlage in der Lage sein, einen we-sentlichen Beitrag zum weiterhin steigenden Be-darf an Molybdän-99 zu leisten.

Partner: ITG Isotope Technologies Garching GmbH

Im Reinraum verarbeitet die ITG das Radioisotop.

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Patienten mit Lungenversagen haben nach meh-reren Tagen künstlicher Beatmung häufig eine sehr schlechte Prognose, weil viele Details der Lungenfunktion nicht bekannt sind und daher eine genaue Steuerung der Beatmung kaum möglich ist. Mit Hilfe der Neutronentomographie entstanden Daten, mit denen ein Modell für eine bessere Feinabstimmung der Beatmung gelang.

Anders als die natürliche Atmung erfolgt die künstliche Beatmung mit Überdruck, wobei nicht selten ein Spitzendruck von bis zu 50 Millibar erreicht wird. Schon 40 Millibar Druck sind für das Gewebe einer kranken Lunge viel zu hoch. Das DFG-Schwerpunktprogramm „Protektive Beatmungskonzepte“ entwickelt eine modell-basierte Strategie zur schonenden künstlichen Beatmung, für das Neutronen die nötigen Geo-metriedaten lieferten. Die feinsten Verzweigun-gen der Lunge haben Strukturgrößen im unteren Mikrometer-Bereich, als Bild gebendes Verfah-ren scheint deshalb die Neutronen-Tomographie ideal. Ein vollständiger 3D-Scan am Instrument ANTARES am FRM II benötigt etwa 400 bis 800 Aufnahmen. Selbst der hohe Neutronenfluss des FRM II erfordert immer noch Belichtungszeiten von etwa 20 Sekunden pro Einzelbild.

Im Gerät wurde eine Rattenlunge mit dem zu untersuchenden Beatmungsdruck gefüllt. Die mechanische Abstützung durch den Brustkorb simulierte ein Aluminiumröhrchen. Ändert man den Druck, ändert sich auch die feine Geometrie. Daraus können die Ingenieure die Elastizität des Lungengewebes errechnen. Und sie können se-hen, bei welchen Drücken die Grenzen der Elas-tizität erreicht werden und mit Lungenschäden zu rechnen ist. Die Bildgebung mittels Neutro-nentomographie war ein sehr wichtiger Schritt, um zu zeigen, dass die Mikrostruktur der Lunge grundsätzlich aufgelöst werden kann. Es hat sich

bei der Bearbeitung der Neutronentomographie-bilder jedoch gezeigt, dass für die Darstellung einzelner Alveolen noch eine höhere Auflösung nötig ist, denn gerade auf dieser Ebene entste-hen die Schäden bei der künstlichen Beatmung.

Partner:Prof. Dr. Josef GuttmannLeiter der Arbeitsgruppe Klinische Atemphysio-logie der Freiburger Universitätsklinik

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang A. WallLehrstuhl für numerische MechanikTechnische Universität München

Neue Strategien für die künstliche Beatmung

Bei der künstlichen Beatmung ist die genaue Steuerung ent-scheidend, ein zu hoher Druck schädigt die Lunge.

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Die Tomographie kann selbst die feine Mikrostruktur der Lunge (Auflösung 80 μm) abbilden.

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Neutronen haben eine sehr hohe biologische Wirksamkeit im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten Photonen. Das bedeutet, dass sie auch sogenannte strahlenresistente Tumoren zerstören können. Mit Neutronen des FRM II kön-nen jedoch nur oberflächennahe Tumore behan-delt werden, weil sie eine sehr geringe Eindring-tiefe haben: In 5 cm Tiefe hat die Strahlendosis im Vergleich zur Oberfläche um die Hälfte ab-genommen. Besonders effektiv sind Neutronen bei langsam wachsenden Tumoren, dem ade-noid-zystischen Tumor der großen Speicheldrü-sen, bei sekundären malignen Melanomen der Haut, sowie bei wieder auftretendem Brustkrebs, die alle nicht gut auf konventionelle Bestrahlung ansprechen. Weitere typische Tumorarten, die an der Forschungs-Neutronenquelle bisher be-handelt wurden, sind Weichteiltumore und Plat-tenepithel-Karzinome im Kopf-Hals-Bereich.Der Neutronenstrahl hat eine maximale Fläche von 30 cm x 19 cm. Die Therapiefelder sind meist kleiner und werden durch einen Lamellen-kollimator geformt, der individuell an den Tumor angepasst wird. Der Patient wird auf dem Be-strahlungstisch so positioniert, dass die Tumor-region vom Neutronenstrahl abgedeckt wird. Die Bestrahlungsdauer richtet sich nach der verord-neten Strahlendosis; meist sind es maximal drei Minuten pro Feld. Insgesamt sind meist nur vier bis fünf Bestrahlungen pro Feld und Patient nö-tig. Akute Nebenwirkungen treten mit etwa dersel-ben Häufigkeit auf wie nach einer konventionel-len Bestrahlung und bestehen meist aus Hautent-zündungen, die bei entsprechender Nachsorge in wenigen Wochen abheilen.

Am FRM I („Atom-Ei“) wurden von 1985 bis ins Jahr 2000 insgesamt 715 Patienten mit Neu- tronen behandelt. Am FRM II waren es 131 Pa-tienten seit der Inbetriebnahme der Bestrah-

lungseinrichtung im Jahr 2007. Bei richtiger In-dikationsstellung stellen die Neutronen eine gute palliative, bei einer kleinen Zahl von Patienten auch sinnvolle kurative Form der Strahlenthera-pie dar. Die in der Neutronentherapie gewonnen Erkenntnisse kommen längerfristig auch der Ent-wicklung neuer, innovativer Bestrahlungsanlagen zur Schwerionentherapie zu Gute. Schwerionen wie Kohlenstoff lassen sich bezüglich der hohen biologischen Wirkung bei der Vernichtung von Tumor- bzw. Krebszellen mit Neutronen verglei-chen.

Partner: Prof. Dr. Michael MollsKlinikum rechts der Isar

Dr. Waltraud ReuschelKlinikum rechts der Isar

Tumorbehandlung mit schnellen Neutronen

38 %

20 %

17 %

9 %

8 %

8 %Mamma-karzinome

MaligneMelanome

Speichel-drüsen-karzinome

Weichteil-sarkome

Sonstige

Kopf-Hals-Tumore

Prozentuale Verteilung der Patienten bei Neutronentherapie amFRM II in Abhängigkeit von der jeweiligen Krebserkrankung.

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Dr. Waltraud Reuschel, behandelnde Ärztin am Klinikum rechts der Isar und am FRM II

„Neutronenstrahlen wirken oft auch dann noch, wenn der Tumor auf konventionelle Me-thoden nicht mehr anspricht. In vielen Fällen haben die Patienten schon Metastasen, entscheidend für den Patienten ist jedoch die Lebensqualität.“

Die Tumorbestrahlungsanlage am FRM II mit der Gesichtsmaske für eine genaue Positionierung des Patienten.

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Herausgeber

Forschungs-NeutronenquelleHeinz Maier-Leibnitz (FRM II)Technische Universität MünchenLichtenbergstr. 185748 GarchingTelefon: 089.289.14966Fax: 089.289.14995E-Mail: frm2@frm2.tum.de

Redaktion

Christine Kortenbruck, FRM IIAndrea Voit, FRM II

Layout und Satz

Ramona Bucher, FRM II

Bildnachweis

Wenzel Schürmann, TUM: Seite 8, 9, 10, 11, 12, 13, 21, 28, 29 oben, 53, 54, 56, 57, 61, 63, 69 oben

Andreas Heddergott / Astrid Eckert, TUM: Seite 14, 15, 17, 19, 24, 41, 42, 43

Volker Lannert, DAAD: Seite 20, 23, 32, 35, 49, 51

FRM II/ TUM: Titelbild, Seite 18, 27, 30, 36, 44, 46, 52, 55 oben, 58, 59, 68

ITG Isotope Technologies Garching GmbH: Seite 64, 65

Siemens-Pressebild: Seite 26

Michael E. Hauk: Seite 31 oben

C.Schmid, Helmholtz-Zentrum Geesthacht: Seite 33

Helmholtz-Zentrum Geesthacht: Seite 40

Flughafen München GmbH: Seite 37

Miguel Barousse Moreno: Seite 50

Bin im Garten: Seite 38

Alfred Clouth Lackfabrik GmbH & Co. KG: Seite 39

Vincent van Gogh: Seite 62

vintagelove67, wikipedia: Seite 66

Lehrstuhl für numerische Mechanik, TUM: Seite 67

Andere Bilder: privat

Impressum

1. Auflage März 2014

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